Ιστορική επιβεβαίωση: Μαύρη τρύπα «συνελήφθη» να περιστρέφει τον ίδιο τον χωροχρόνο

Σε μια ανακάλυψη που επαναπροσδιορίζει τον τρόπο με τον οποίο αντιλαμβανόμαστε τη βαρύτητα και τη δυναμική του Σύμπαντος, αστρονόμοι κατέγραψαν για πρώτη φορά με άμεσο τρόπο ένα από τα πιο εξεζητημένα φαινόμενα της Γενικής Θεωρίας της Σχετικότητας: μια μαύρη τρύπα που, καθώς περιστρέφεται, παρασύρει και συστρέφει τον χωροχρόνο γύρω της.

Η παρατήρηση αυτή, η οποία έρχεται να επιβεβαιώσει προβλέψεις που διατύπωσε ο Άλμπερτ Αϊνστάιν πριν από έναν και πλέον αιώνα, δεν αποτελεί απλώς μια θεωρητική νίκη. Προσφέρει στους επιστήμονες ένα νέο «παράθυρο» στη μελέτη της φυσικής των μελανών οπών και του τρόπου με τον οποίο αυτές εκτοξεύουν πίδακες ύλης στο Διάστημα.

Το φαινόμενο Lense-Thirring και η «δίνη» του χωροχρόνου

Το φαινόμενο που παρατηρήθηκε ονομάζεται «μετάπτωση Lense-Thirring» (frame-dragging). Για να το κατανοήσουμε, αρκεί να φανταστούμε μια σβούρα που περιστρέφεται μέσα σε ένα δοχείο με μέλι. Καθώς η σβούρα γυρίζει, το παχύρρευστο υγρό που εφάπτεται σε αυτήν αρχίζει να περιστρέφεται μαζί της, δημιουργώντας μια δίνη.

Στο κοσμικό ανάλογο, η «σβούρα» είναι μια ταχέως περιστρεφόμενη μαύρη τρύπα και το «μέλι» είναι ο ίδιος ο χωροχρόνος. Η βαρυτική έλξη είναι τόσο ισχυρή που δεν έλκει απλώς την ύλη, αλλά στρεβλώνει την υφή του χώρου και του χρόνου, υποχρεώνοντας οτιδήποτε βρίσκεται κοντά –ακόμη και το φως ή τα συντρίμμια ενός άτυχου αστέρα– να ακολουθήσει αυτή την παράξενη, ταλαντούμενη τροχιά.

Το συμβάν AT2020afhd: Όταν ένα αστέρι αποκαλύπτει τα μυστικά της Βαρύτητας

Η ερευνητική ομάδα, με επικεφαλής τα Εθνικά Αστρονομικά Παρατηρητήρια της Κινεζικής Ακαδημίας Επιστημών και τη συμβολή του Πανεπιστημίου του Κάρντιφ, εστίασε την προσοχή της στο συμβάν με την κωδική ονομασία AT2020afhd. Πρόκειται για ένα γεγονός παλιρροϊκής διατάραξης (Tidal Disruption Event - TDE), κατά το οποίο ένας αστέρας πλησίασε υπερβολικά μια υπερμαζική μαύρη τρύπα και διαλύθηκε από τις παλιρροϊκές δυνάμεις της.

Καθώς τα υπολείμματα του αστέρα σχημάτισαν έναν δίσκο συσσώρευσης γύρω από τον αόρατο «θύτη», πίδακες υλικών εκτοξεύτηκαν με ταχύτητες που άγγιζαν εκείνη του φωτός. Ωστόσο, οι επιστήμονες παρατήρησαν κάτι ασυνήθιστο: τόσο ο δίσκος όσο και οι πίδακες δεν ήταν σταθεροί. Αντίθετα, παρουσίαζαν μια συντονισμένη ταλάντωση (wobble), η οποία επαναλαμβανόταν σε έναν κύκλο 20 ημερών.

Αυτή η περιοδική κίνηση ήταν το «κλειδί». Υπέδειξε ότι η περιστροφή της μαύρης τρύπας παρέσυρε το επίπεδο του δίσκου και των πιδάκων, αναγκάζοντάς τα να μεταπίπτουν, ακριβώς όπως προβλέπει το φαινόμενο frame-dragging.

Από τη θεωρία στην απόδειξη: Η συμβολή της τεχνολογίας

Για να απομονώσουν αυτό το αχνό σινιάλο μέσα στον κοσμικό θόρυβο, οι ερευνητές χρειάστηκε να συνδυάσουν δεδομένα από δύο κορυφαία παρατηρητήρια: το διαστημικό τηλεσκόπιο Swift (Neil Gehrels Swift Observatory), που ανιχνεύει ακτίνες Χ, και τη συστοιχία ραδιοτηλεσκοπίων VLA (Karl G. Jansky Very Large Array).

Η ανάλυση των ηλεκτρομαγνητικών φασμάτων επέτρεψε στην ομάδα να προσδιορίσει τη σύνθεση και τη δομή των υλικών που συμμετείχαν στο φαινόμενο, αποκλείοντας άλλες πιθανές εξηγήσεις για την ασυνήθιστη συμπεριφορά του σήματος. Σε αντίθεση με προηγούμενα TDEs που εξέπεμπαν σταθερά ραδιοσήματα, το AT2020afhd παρουσίαζε βραχυπρόθεσμες μεταβολές που δεν μπορούσαν να αποδοθούν απλώς στην απελευθέρωση ενέργειας. Η μόνη ερμηνεία που ταίριαζε απόλυτα στα δεδομένα ήταν η συστροφή του χωροχρόνου.

«Ένα δώρο για τους Φυσικούς»

Ο Δρ. Cosimo Inserra, από το Πανεπιστήμιο του Κάρντιφ και συν-συγγραφέας της μελέτης που δημοσιεύτηκε στο επιστημονικό περιοδικό Science Advances, χαρακτήρισε την ανακάλυψη ως την πιο πειστική απόδειξη που έχουμε λάβει μέχρι σήμερα για τη μετάπτωση Lense-Thirring.

Η μελέτη μας δείχνει μια μαύρη τρύπα να σέρνει τον χωροχρόνο μαζί της, με τον ίδιο τρόπο που μια σβούρα παρασύρει το νερό σε μια δίνη. Αυτό αποτελεί ένα πραγματικό δώρο για τους φυσικούς, καθώς επιβεβαιώνουμε προβλέψεις που έγιναν πριν από έναν αιώνα.

Πέρα από την ιστορική επιβεβαίωση, η ανακάλυψη αυτή έχει τεράστια πρακτική σημασία για την αστροφυσική. Όπως επισημαίνει ο Δρ. Inserra, κατανοώντας τον μηχανισμό με τον οποίο μια μαύρη τρύπα δημιουργεί αυτό το βαρυτομαγνητικό πεδίο –κατ' αναλογία με το μαγνητικό πεδίο που δημιουργεί ένα περιστρεφόμενο φορτισμένο αντικείμενο– μπορούμε πλέον να αποκρυπτογραφήσουμε καλύτερα τη μηχανική των πιδάκων και τη συμπεριφορά της ύλης σε ακραίες συνθήκες βαρύτητας.

Μια νέα εποχή για την αστρονομία

Η επιτυχία αυτής της παρατήρησης ανοίγει τον δρόμο για μια νέα μέθοδο ανίχνευσης και μελέτης των μελανών οπών. Μέχρι τώρα, οι επιστήμονες βασίζονταν κυρίως στη μάζα και το σπιν (περιστροφή) για να τις χαρακτηρίσουν. Τώρα, η ικανότητα εντοπισμού της επίδρασής τους στην υφή του χωροχρόνου προσθέτει ένα ακόμη εργαλείο στο οπλοστάσιο της αστρονομίας.

Καθώς η τεχνολογία των τηλεσκοπίων βελτιώνεται και η ικανότητά μας να αναλύουμε πολύπλοκα δεδομένα αυξάνεται, το σύμπαν αποκαλύπτει σιγά-σιγά τους πιο καλά κρυμμένους μηχανισμούς του. Η εικόνα μιας μαύρης τρύπας που «χορεύει» με τον χωροχρόνο, παρασύροντας τα συντρίμμια ενός κατεστραμμένου άστρου, μας υπενθυμίζει ότι η πραγματικότητα εκεί έξω είναι συχνά πιο παράξενη και πιο συναρπαστική από οποιαδήποτε θεωρία.